超声物理基础

1、超声科 医用超声发展史 超声诊断始于超声诊断始于20世纪世纪40年代，年代，50年代初期应用于临床，年代初期应用于临床，70年代超年代超声快速成像技术得以应用，声快速成像技术得以应用，80年年代声学多普勒效应用于超声诊断，代声学多普勒效应用于超声诊断，90年代三维超声和介入超声得以年代三维超声和介入超声得以实现。目前，组织谐波超声造影、实现。目前，组织谐波超声造影、3D/4D超声成像使得医学超声进入超声成像使得医学超声进入一个全新时代。一个全新时代。 物体在一定的位置附近作来回往复运动称为机械振动机械振动。机械振动在介质中传播形成机械波机械波。波是振动在介质中传播的过程。 声波是机械波的一种。

2、当声源振动时，由于介质质点之间的相互作用力，能够由近及远得使介质质点陆续发生振动。由此振动就以一定速度向各个方向传播出去形成声波。波动只是振动状态的传播，介质质点并不随波前进。声波产生的条件 声源能传播振动的介质 介质内各质点介质内各质点振动方向和波振动方向和波的传播方向相的传播方向相互垂直，这种互垂直，这种波称为横波。波称为横波。 介质内各质点介质内各质点振动方向和波振动方向和波的传播方向相的传播方向相互平行，这种互平行，这种波称为纵波。波称为纵波。超声波在人体超声波在人体软组织中主要软组织中主要传播的是纵波。传播的是纵波。三个基本物理量频率（f）波长（）声速（C）C= f 是超声波的特征尺

3、度。波长与频率呈反比，f越大，越小，超声波的空间分辨率越好（影像上能够识别的两个相邻物体最小距离的能力）。 应用于浅表软组织的高频超声，其波长短，空间分辨率好，图像清晰。但是穿透力弱，不适于检查深部组织（低频超声）。 3MHz vs 5MHz探头探头前者的空间分辨力（轴向前者的空间分辨力（轴向+侧向）均低于后者侧向）均低于后者分辨力分辨力 衡量探头的一个重要指标是分辨力，包括空间分辨力、密度分辨力、时间分辨力。 假设人体内有两个目标，当它们之间的距离比较大时仪器能够区分开两者，若两者间的距离很小时超声仪器就会将其视为一个目标。仪器能够区分的这个最小距离称为空间分辨力空间分辨力，其与声束的方向有

4、关，又分为横向、纵向和侧向分辨力。空间分辨力空间分辨力 轴向分辨力轴向分辨力 Axial resolution 侧向分辨力侧向分辨力 Lateral resolution 横向分辨力横向分辨力 Elevation or transverse resoulution Z = C - 介质密度 Z - 声阻抗 Z反映了介质的性质。超声波传播特性反射折射衍射散射 当超声波从一种介质当超声波从一种介质 传播到另外一种介质传播到另外一种介质时，由于声阻抗时，由于声阻抗Z不同，不同，两种介质间形成一个两种介质间形成一个声学界面。若该界面声学界面。若该界面尺寸大于尺寸大于，则一部分，则一部分超声波发生反射，

5、一超声波发生反射，一部分发生折射。两种部分发生折射。两种介质的声阻抗差越大介质的声阻抗差越大反射就越强。反射就越强。 衍射（绕射）：在超声波传播过程中，遇衍射（绕射）：在超声波传播过程中，遇到障碍物的尺寸与到障碍物的尺寸与1-2倍倍相接近时，声波相接近时，声波可绕过这一障碍物边缘向前传播。可绕过这一障碍物边缘向前传播。 散射：在超声波传播过程中，遇到障碍物散射：在超声波传播过程中，遇到障碍物的尺寸小于的尺寸小于时，该物体吸收超声波能量后时，该物体吸收超声波能量后向四周辐射声波。红细胞的直径远远小于向四周辐射声波。红细胞的直径远远小于 ，是超声波散射的主要源泉，多普勒超声，是超声波散射的主要源泉

6、，多普勒超声主要接收来自红细胞的背向散射。主要接收来自红细胞的背向散射。回声回声介质介质的的声声阻阻抗抗差差 组组 织织 类类 型型极强极强极大极大气体气体-实体界面（肺、肠气），不利于超声向深部传输实体界面（肺、肠气），不利于超声向深部传输次强次强大大钙质、纤维组织含量多（结石、钙化、疤痕）钙质、纤维组织含量多（结石、钙化、疤痕）高高较大较大实质非均质性组织，纤维组织增生实质非均质性组织，纤维组织增生(血管瘤、脂肪肝等血管瘤、脂肪肝等)中中较小较小实质均质性组织（肝、脾、胰、肾皮质、心肌、甲状腺）实质均质性组织（肝、脾、胰、肾皮质、心肌、甲状腺）低低很小很小密度更均匀的实质组织（肾锥体、某些

7、肿瘤）密度更均匀的实质组织（肾锥体、某些肿瘤）无无无无血液、胆汁、尿液、囊液、漏出液血液、胆汁、尿液、囊液、漏出液压电效应正压电效应逆压电效应压电效应 正压电效应：某些材料在外部压力或拉力作用下引起材料内部正负电荷中心位移，在材料表面上出现正负电荷。此时机械能转换为电能，超声波的接收就是根据这一原理 逆压电效应：在压电晶体表面加上电压引起材料内部正负电荷中心位移而产生应力，最终导致材料形变。此时电能转换为机械能，超声波的发射依据此原理。超声探头类型 凸阵 相控阵 线阵 线阵：许多压电单元等间隔地排列成一条 直线，声像图呈矩形。属于高频探头，用于浅表软组织、血管，空间分辨率高、穿透能力相对低，许

8、多术中探头、腔镜探头都采用线阵。 相控阵（由信号的相位控制声束方向）：压电单元排列成一段向外凸出的圆弧，声像图呈扇形。长度一般20-30mm，适于肋间扫查心脏。 凸阵：压电单元排列成一段圆弧，但圆弧半径大于相控阵探头，声像图是介于扇形和矩形间的一个图形。属于低频探头，空间分辨率相对低、穿透能力高，用于腹部扫查。 面阵探头：三维面阵探头：三维容积探头，压电容积探头，压电单元排列成一个单元排列成一个面，能够获取更面，能够获取更多数据而形成三多数据而形成三维影像。常用于维影像。常用于胎儿、心脏。胎儿、心脏。超声波图像产生过程电脉冲信号电脉冲信号探头（逆压电效应、聚焦）探头（逆压电效应、聚焦）声束声束

9、人体人体回波（反射、散射）回波（反射、散射）探头探头（正压电效应、信号检测电路）（正压电效应、信号检测电路）图像显示图像显示医学超声仪的不同模式超声超声模式模式A型型M型型B型型D型A型（Amplitude modulation） A型为波幅调制型，超声波每遇到一个界面型为波幅调制型，超声波每遇到一个界面就产生一个回声，该回声在显示器上以波就产生一个回声，该回声在显示器上以波幅高低反映回声强度大小。幅高低反映回声强度大小。B型（Brightness modulation） B型为辉度调制型，回波以不同灰阶的光型为辉度调制型，回波以不同灰阶的光点显示，光点的强弱反映回波的强弱。声点显示，光点的强

10、弱反映回波的强弱。声像图为直观的二维断面图像，是超声仪器像图为直观的二维断面图像，是超声仪器最基本和最重要的模式。最基本和最重要的模式。M型（Motion ） M型是辉度调制型中的一个特殊类型，型是辉度调制型中的一个特殊类型，主要用于心脏及大血管检查。原理是主要用于心脏及大血管检查。原理是将来自心脏或血管不同深度的回波进将来自心脏或血管不同深度的回波进行亮度调制，然后随时间展开，这样行亮度调制，然后随时间展开，这样就直观地显示了取样线上（声束方向就直观地显示了取样线上（声束方向上）各点的灰度随时间的变化。上）各点的灰度随时间的变化。M型 横轴为时间，纵轴横轴为时间，纵轴为深度可见沿时为深度可见

11、沿时间轴方向的条纹结间轴方向的条纹结构，它反映了心脏构，它反映了心脏的运动情况（可测的运动情况（可测量瓣膜开口距离、量瓣膜开口距离、各心房、心室大小各心房、心室大小等）。该声像图即等）。该声像图即为超声心动图。为超声心动图。D型（Doppler ） D型是利用超声波多普型是利用超声波多普勒原理，即波在波源勒原理，即波在波源移向观察者时接收频移向观察者时接收频率变高、而在波源远率变高、而在波源远离观察者时接收频率离观察者时接收频率变低（波源相当于血变低（波源相当于血管内的红细胞，观察管内的红细胞，观察者相当于超声探头）。者相当于超声探头）。主要用于检测血流。主要用于检测血流。 D型彩色血流成像彩

12、色血流成像频谱多普勒频谱多普勒CDFICDEPWCW多普勒频移(doppler shift) 探头接收的声波频率f与声源频率f存在多普勒频移f（或fd），即f=f-f 。 当探头与血流相互靠近时，接收频率f大于发射频率f即：f0（正性频移，血流朝向探头，一般以红色表示） 。 当探头与血流相互远离时，接收频率f小于发射频率 即： f0（负性频移，血流远离探头，一般以蓝色表示） 。fd=2vCos.f0/cfd为频移，为频移，v为血流速度，为血流速度，c为软组织为软组织内平均声速（内平均声速（1540m/s），），f0为探头为探头频率，频率，为声束与血流方向的夹角。除为声束与血流方向的夹角。除v以

13、外全部参数都可测量，以此推算血以外全部参数都可测量，以此推算血流速度。流速度。超声多普勒成像 彩色血流成像：彩色血流成像： （1）彩色多普勒血流）彩色多普勒血流成像（成像（Color Doppler flowing imaging,CDFI) （2）彩色多普勒能量）彩色多普勒能量图（图（Color Doppler energy,CDE） 彩色血流成像技术彩色血流成像技术 CDFI：将fd 提取处理后，运用彩色编码显示血流，定义为“红迎蓝离”。彩色显示的亮度与血流速度呈正比。血流的清晰显示与探测角度及频移有关，前者小于60度；fd 小于Nyquist极限（超声仪发射超声脉冲重复频率的1/2，PR

14、F/2是血流速度能被检测的极限，称为Nyquist频率极限）。 CDE：利用红细胞散射的能量成像，不受角度影响、探测灵敏度增高、不出现混叠现象。超声多普勒成像 频谱多普勒 （1）脉冲多普勒（Pulse wave，PW） 由同一组晶片发射并接收超声波，采用距离选通技术可定点测量血流速度，但是受Nyquist频率限制，在检测高速血流时容易出现混叠现象（fd 超过Nyquist频率就会产生血流方向倒错表达）。 （2）连续多普勒（Continue wave，CW） 由不同组晶片连续发射并连续接收超声波，能检测深部及高速血流，但是缺乏距离分辨能力。 PW CW超声伪像 超声伪像超声伪像指在超声成像过程中

15、出现的某些与被测目标不相符的征象，并不代表真实的声学界面。多次反射伪像（混响） 声束通过两个声反射较强的界面时，声波在探头与反射界面之间来回反复传播，声像图上表现为逐渐减弱的等距离反射信号，例如膀胱前壁出现的高回声带。多次反射伪像中又包括振铃伪像振铃伪像，特征表现为“彗星尾征”，例如胆囊壁固醇、子宫内节育环。该伪像可以通过加压、改变探头方向、加水囊改善。折射伪像 声束通过不同组织时在界面处产生折射，声束偏转，由此产生反射体实际位置与超声显示位置错位，其中包括透镜效应、侧透镜效应、侧后方声影后方声影。透镜效应一般出现于经腹直肌扫查时，腹直肌使声束发生折射，深面的血管（例如腹主动脉、肠系膜上动脉）

16、在声像图上表现为实像、虚像双重显示。侧后方声影常出现于有包膜的球形、椭圆形病灶，在病灶侧面边缘及后方出现“失照射”区。镜面反射伪像 声波投射到强反射的平滑大界面时（如膈肌），产生与平面镜相似的反射现象，实像、虚像并存。该伪像可以通过侧动探头改变超声波投射方向而改善。部分容积效应（束宽效应伪像） 声束具有一定的宽度，尤其是在非聚焦区声束较宽，使得相邻两个位置的反射界面在声像图上互相重叠。例如无回声结构与周围组织相重叠。通过不同角度侧动探头可能将两种重叠的结构分辨开。旁瓣伪像 由于探头发射的超声波包括主瓣与外侧的旁瓣，超声波成像主要依靠主瓣，当旁瓣与高反射体作用时可以干扰主瓣成像。例如充盈膀胱检查

17、子宫时，可见子宫前壁上方向膀胱内延伸的细弱光带。在胆囊或膀胱中结石强回声两侧呈现的“狗耳”样或“披纱”样图像。高衰减区、低衰减区伪像（后方声影、后方回声增强） 超声波通过骨组织、结石、瘢痕、纤维组织、韧带等时因声能被吸收而造成声衰减，声像图上显示深面回声减弱。当超声波通过低衰减区域时（液体），深面回声增强。频谱和色彩倒错伪像（混迭效应） 超声波多普勒成像中，被测血流速度过快，即多普勒频移超过脉冲重复频率的二分之一时，脉冲多普勒出现频谱超过阈值的部分重叠到基线下方、而彩色多普勒出现色彩到错。可以通过提高脉冲重复频率、降低探头频率而改善。图像质量 声学原理决定了声像图可能存在某些伪像与差异，而检查者、患者及超声仪器的主客观因素都可能导致检查结果与实